第六章制药反应设备

第六章制药反应设备6.1.反应器基础6.2.釜式反应器的工艺计算6.3.管式反应器的工艺计算6.4.反应器形式和操作方式选择6.5.搅拌器6.6.气－固相催化反应器6.7.反应器中的混合及对反应的影响6.1反应器基础反应是整个生产工艺过程的核心，反应器是反应过程的核心设备。制药工程设计从反应器开始，Smith等人提出设计的洋葱模型。反应器使原料转化为产品；分离循环分离原料产品和副产品组成的混合物；上两步设计决定设计过程的冷、热负荷。故进而作换热网络设计过程热量回收不能满足的冷、热负荷决定公用工程用量，因而第四步是公用工程设计。上循环对制药过程设计也适用，但产品精制、烘干和包装过程必须满足GMP,故换热网络设计同时，必须设计形成环境净化的空调系统。设计遵循洋葱模型，但极少有一次全过程设计即得成功的全过程设计的。多数情况下设计顺序是双向的，因为做出内层设计决策的依据是不完整的，当把较多的细节考虑至设计中时，外层会出现一个比较完整的设计轮廓，此时设计决策可能需要改变，因此必须返回内层，如此反复进行。6.1.1反应器类型反应器的类型很多，特点不一，可按不同的方式进行分类。1、按结构分类2、反应器按相态分类3.按操作方式分类：间歇式半间歇式连续式反应器4.按操作温度分类等温和非等温反应器5.按流动状况分类理想流动反应器和非理想流动反应器6.1.2反应器操作方式1、间歇操作间歇操作的特点是将原料一次加入反应器，达到规定的反应程度后卸出全部物料。然后进入下一个操作循环。间歇釜式反应器及其浓度变化间歇反应过程是非稳态过程，反应器内物料的组成随时间而变化。器内反应物和产物的浓度随时间的变化关系如图所示。对不可逆反应，随着τ的增加，反应物A的浓度将由开始时的CA0逐渐降至零;对可逆反应随τ的增加而降至其平衡浓度；对单一反应AR(产物)，R的浓度随反应时间的增加而增大；连串反应AR(产物)S，产物R的浓度先随τ的增加而增大，达一极大值后又随τ的增加而减小。釜式反应器2、连续操作反应原料连续地输入反应器，反应产物也从反应器连续流出。连续操作多属于稳态操作，器内任一位置上的反应物浓度、温度、压力、反应速度等参数均不随时间而变化。（1）管式反应器多个化学反应，产物R的浓度变化同间歇反应器。（2）全混流釜式反应器(CSTR)器内各处浓度相同且等于出口浓度，且不随时间而变，连续操作具有生产能力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优点，大规模工业生产的反应器多采用连续操作3、半连续操作原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入或输出，而其余的(至少一种)为分批加入或卸出的操作。器内的物料组成既随时间而变化,又随位置而变化。釜式、管式、塔式以及固定床反应器等都有采用半连续方式操作的。6.1.3反应器计算基本方程式反应器计算所应用的基本方程式:反应动力学方程式物料衡算式热量衡算式。过程△P较大，并影响到rA时，还要用动量衡算式。1、反应动力学方程式对于均相反应反应速度可用单位时间、单位体积的反应物料中某一组分摩尔数的变化量来表示，等容过程A为反应物，取负号。等容过程反应AR为n级不可逆反应，则反应动力学方程式为式中k——反应速度常数，kmol1-nm3(n-1)h-1；n——反应级数。气相反应如果反应气体可视为理想气体，则kp和k的关系为用不同组分表示化学反应速度，其值与相应化学计量系数有关组分A、B、M、N表示的反应速度与组分的化学计量系数，有下列关系：2、物料衡算式对单一化学反应，列出一反应物的物料衡算式，其余反应物和产物的量都可通过化学计量关系来确定。由于反应器内参数随τ或空间而变，ri也随之变化，故选取微元体积dVR和微元时间d作为物料衡算的空间基准和时间基准。3、热量衡算式在微元时间d内对微元体积dVR进行热量衡算得在d内，dVR中因反应产生的化学变化热为反应器计算即联立求解物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式。等温过程，T不随时间和空间而改变，故仅需联立求解物料衡算式和反应动力学方程式。物料的流动混合状况影响反应器内的C和T分布，考虑流动混合状况（理想反应器，非理想流动反应器）。6.1.4理想反应器理想反应器是指流体的流动处于理想状况的反应器。对于流体混合，有理想混合和理想置换两种极端情况。1、理想混合反应器理想混合的特征是物料达到完全混合，浓度、温度和反应速度处处相等。生产中，搅拌良好的釜式反应器可近似看成理想混合反应器。连续操作（CSTR）时，反应器内物料的组成和温度既与位置无关，又不随时间而变，且与出口的浓度和温度相同。半连续或间歇操作（BSTR）时，反应器内物料的组成、温度等参数仅随时间而变，与位置无关。2、理想置换反应器（PFR）理想置换的特征在与流动方向垂直的截面上，各点的流速和流向完全相同，称为“活塞流”或“平推流”。在与流动方向垂直的截面上，流体的浓度和温度处处相等，不随时间而变；而沿流动方向，流体的浓度和温度不断改变。所有的流体质点在反应器内的停留时间相同。生产中,细长型的管式反应器可近似看成理想置换反应器。3、理想反应器内反应物及产物的浓度变化6.2釜式反应器的工艺计算6.2.1.釜式反应器的结构、特点及应用1、结构由釜体、上封头、搅拌器等部件而制成。罐体内壁可内衬耐腐蚀材料。为控温，常设有夹套，内部也可安装蛇管。2、特点及其应用釜式反应器结构简单、加工方便；釜内设有搅拌装置,釜外常设传热夹套,传质和传热效率均较高;若搅拌良好,可近似看成理想混合反应器,釜内浓度、温度均一,化学反应速度处处相等;间歇过程所有物料具有相同的反应时间；操作灵活,适应性强,便于控制和改变反应条件,尤其适用于小批量、多品种、反应时间较长生产。缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定釜式反应器的技术参数已实现标准化，搪玻璃釜式反应器的主要技术参数见附录六。6.2.2间歇釜式反应器的工艺计算1、反应时间的计算搅拌良好可视为理想混合反应器(BSTR)，物料衡算有下特点：(1)由于反应器内浓度、温度均一，不随位置而变，故可对整个反应器有效容积(反应体积)进行物料衡算。(2)由于间歇操作，对反应物A上式对等温、非等温、等容和变容过程均适用。等容过程上式表明，达到一定xA所需要的τ仅与反应物的CA0和化学rA有关，而与物料的处理量无关。若能保证放大后的装置在搅拌和传热两方面均与提供试验数据的装置完全相同，就可实现高倍数的放大。零级反应等温过程，k为常数一级反应，等温等容过程二级反应，等温等容过程2、反应器总容积的计算（1）有效容积实际操作时间=反应时间(τ)+辅助时间(τ′)反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积（2）总容积VT装料系数一般为0.4～0.85。不起泡、不沸腾的物料，可取0.7～0.85；起泡或沸腾的物料，可取0.4～0.6。装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。例6－1在搅拌良好的间歇釜式反应器中，用乙酸和丁醇生产醋酸丁酯，反应式为当丁醇过量时，反应动力学方程式为式中CA为乙酸浓度，kmolm-3。已知反应速度常数k为1.04m3kmol-1h-1，投料摩尔比为乙酸：丁醇=1：4.97，反应前后物料的密度为750kgm-3，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为60、74和116。若每天生产3000kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失)，乙酸的转化率为50%，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数为0.7，试计算所需反应器的有效容积和总容积。解：(1)计算反应时间因为是二级反应，故(2)计算所需反应器的有效容积VR每天生产3000kg乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为(3)计算所需反应器的总容积VT前已求得反应器的有效容积为1.29m33、反应器的台数N及单釜容积VTS的确定(1)已知VTS，求N对于给定的处理量，每天需操作的总批数为每天每台反应器可操作的批数为则完成给定生产任务所需的反应器台数为(2)已知N，求VTS(3)N及VTS均为未知，求N和VTS先假设VTS（或N），然后计算出N或（VTS）值。常先假设几个不同的N值求出相应的反应釜容积VTS，然后再根据工艺要求及厂房等具体情况，确定一组适宜的N和VTS值作为设计值。4、釜式反应器主要工艺尺寸的确定由工艺计算求出反应器的单釜容积VTS后，求出反应器直径的计算值,按筒体规格圆整后即得反应器直径的设计值。然后按H=1.2D求出反应器的高度H，并检验装料系数是否合适。壁厚可通过强度计算确定，法兰、手孔、视镜等附件可根据工艺条件从相应的标准中选取。5、讨论：（1）间歇反应器中的单反应k增大(温度升高）→τ减少→反应体积减小补充：（2）复合反应：必须用两个以上的化学计量式方能确定反应在反应时的变化关系例题在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应对于液相反应，可视为恒容系统由式（6-20)得代入CA0=2kmol/m3，τ=2h得：实际上等温操作是很难实现的，只有当反应物料中反应物浓度很小，反应速率很慢且反应热效应又不大的情况下才接近等温操作。而且大多数情况下（除非热敏性的反应物料）也不必要求等温操作。更多的情况是要求合理的温度序列最有利于反应的进行，或有利于改善反应的产物分布。6、分批式操作的优化分析分批式操作的过程中随反应物转化率的提高，反应速率下降，反应效率下降，故存在什么转化率下停止反应最为有利的问题。可有两种目标来进行优化：也可写成用转化率表示的形式，若有将式（3）和（4）代入（1）式得：分母项为产物R的质量，上式对τ求导并令其等于零即得：6.2.3.连续釜式反应器的工艺计算搅拌良好的连续釜式反应器可视为理想混合反应器(CSTR)。新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：所有空间位置的物料参数都等于出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，形成一个停留时间分布。连续釜式反应器的操作稳定时，釜内物料的温度和组成不随时间而变化，属于稳态操作过程。反应器内浓度变化情况釜式反应器采用单釜连续操作时，釜内CA与出口物料的CAf相同，rA较慢，这是单釜连续操作的缺点。采用多釜串联连续操作,代替一台有效容积为VR的连续釜式反应器。平均rA较单釜的要快，若两者的有效容积相同，多釜串联处理量增加；若处理量相同，则多釜串联总有效容积可以减小多釜串联操作反应器内的浓度变化串联的釜数越多，各釜反应物浓度的变化就愈接近于理想管式反应器，当釜数为无穷多时，各釜反应物浓度的变化与管式反应器内的完全相同。但是，当串联的釜数超过某一极限后，因釜数增加而引起的设备投资和操作费用的增加，将超过因反应器容积减少而节省的费用。多釜串联连续操作时，釜数一般≯4台。单釜连续操作用于自催化反应间歇釜式反应器或管式反应器进行自催化反应时，CA要经历一个由大变小的过程,相应地,rA要经历一个由小变大、再由大变小的过程。采用单釜连续操作,可使釜内的CA始终维持在最大rA所对应的CA值,从而可大大提高反应器的生产能力或减小反应器的容积。物料衡算具有如下特点：(1)反应器内温度均一，为等温反应器。故计算反应器容积时,只需进行物料衡算。(2)反应器内浓度均一，不随时间而变，故可对反应器的有效容积和任意时间间隔进行物料衡算。(3)物料衡算式中的积累量为零。(4)反应速度可按出口处的浓度和温度计算。反应器内平均停留时间全混流反应器τ的图解积分(对比右图的BSTR图解积分)对于零级等容反应对于一级等容反应，例6-2用连续操作釜式反应器生产乙酸丁酯，反应条件和产量同例6-1，试计算所需VR。解：因为是二级反应，2、多釜串联连续操作串联连续操作的各釜仍具有单釜连续操作反应器所具有的特点。作如下假设：(1)釜间不存在混合。(2)对于液相反应，因反应和温度改变而引起的密度变化可忽略不计。Vh=Vh1=Vh2==VhN在第i釜中对反应物A进行物料衡算得式